邵紅亮 殷少華 閆來信 董學金

衛(wèi)星OSR粘接質量可視化檢測技術研究

邵紅亮 殷少華 閆來信 董學金

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

采用基于鎖相的紅外熱成像檢測方法對OSR粘接界面缺陷進行無損檢測，分析了紅外鎖相成像檢測方法的檢測原理，制作了含自然缺陷的試樣，并進行紅外熱像檢測方法的檢測能力和成像規(guī)律研究。結果表明，基于紅外鎖相的熱成像檢測方法能夠實現對OSR粘接界面內空洞類缺陷的有效檢出，可檢出的最小缺陷面積為1.5mm當量，具有較高的檢測靈敏度。

鎖相紅外；OSR；可視化；無損檢測

1 引言

OSR作為一種優(yōu)質的溫控涂層元件，在宇航型號中有著大量的應用。通常，OSR通過一定厚度的膠黏劑粘貼在蜂窩板蒙皮上，經固化形成OSR-膠黏劑-蜂窩板典型的三層復合結構。由于粘接工藝復雜，在膠黏劑層易產生空洞類缺陷，會影響OSR的粘接強度及溫控性能，嚴重時在真空試驗或空間在役過程中真空放氣會造成OSR片破碎，產生多余物危害。

由于OSR產品整體結構輕薄、易碎，要求在檢測作業(yè)時能夠實現非接觸。射線、超聲、磁粉、渦流和滲透作為五大常規(guī)無損檢測方法[1]，在宇航產品中檢測中有著廣泛的應用，但在OSR的現場檢測實施中具有一定的技術局限性，因此研究新的無損檢測技術應用勢在必行。本文開展基于紅外檢測技術的OSR粘接界面缺陷可視化檢測技術研究，獲得該檢測對象的紅外熱像檢測方法的檢測能力和成像規(guī)律，解決OSR粘接界面非接觸、可視化檢測難題。

2 檢測原理

通常紅外熱成像檢測技術可以分為脈沖紅外成像檢測技術和鎖相紅外成像檢測技術[2]，其中鎖相技術由于采用周期性的熱激勵，較脈沖激勵相比，具有跟高的信噪比和檢測靈敏度，更適用于OSR產品的檢測實施。圖1為紅外相機采集的原始熱像圖，紅外鎖相成像檢測技術對熱像圖數據處理過程如下：假設熱像儀的采用頻率為，采樣時間為，則在時間內可采集張圖像；設定每一幀熱像圖的大小為×個像素尺寸，通過式（1）的矩陣變換，將采集到的張圖像整理為×的數據矩陣，對矩陣的每一行作FFT變換得到相位角，經歸一化處理得到每一列的原始圖像的相位圖；利用式（2），選取序列圖中缺陷信息幅度最大的一幀圖N，即可表征檢測結果。

圖1 原始紅外熱像圖

式中每一行為同一像素點處不同時刻的溫度變化；每一列為一幀圖像的不同像素點處的溫度值。

根據檢測原理，鎖相紅外成像檢測技術不僅可以得到檢測產品的能量幅值圖，還可以選擇不同的檢測工藝參數得到其相位圖，因此具有更高的檢測靈敏度和產品適應性。

3 試驗設計

3.1 成像檢測系統(tǒng)

鎖相紅外成像檢測系統(tǒng)主要由紅外熱像儀、鎖相控制系統(tǒng)、能量加載裝置、圖像處理單元組成。本試驗所中激勵源選用大功率紅外輻射裝置進行熱激勵，控制輸入電壓為100V。激勵方式選用正弦波，激勵頻率設定為0.5Hz，0.3Hz，0.15Hz，0.1Hz，0.08Hz，0.06Hz，0.03Hz，0.015Hz，0.008Hz。

3.2 缺陷試樣的設計

為獲得OSR粘接界面內缺陷在鎖相紅外成像檢測方法下的檢測能力及成像規(guī)律，同時最大程度上模擬自然缺陷特征，試樣制作中在預設區(qū)域不涂膠， OSR片經正常固化，內部形成不同特征的自然缺陷。本次制作的試塊上共包含12片OSR片，編號從左上角到右下角依次為A11～A34，如圖2，試塊中包含無缺陷粘貼、密集型小氣泡、大面積空洞及密集氣泡/大面積空洞混合等常見缺陷類型。

圖2 缺陷試樣實物圖

由于粘接劑具有一定的流動性，在固化過程中，預設的圓形缺陷變形。由于OSR粘接所用膠黏劑含有銀粉，因此密度較高，使用射線照相檢測方法得到的射線底片上的成像如圖3所示，紅色標記區(qū)域內的深黑色為缺陷區(qū)域，缺陷實際尺寸與膠片上圖像顯示比例近似為1:1。

圖3 缺陷試樣的X射線檢測結果

4 檢測參數選擇與結果分析

4.1 鎖相頻率參數試驗

通過含已知缺陷的對比試塊試，對比不同鎖相頻率下的缺陷檢測效果，確定合適的鎖相頻率。試驗條件如3.2節(jié)所述。由于所有OSR片的厚度是均勻的，因此忽略缺陷埋深對缺陷顯示及圖像信噪比的影響。分別采用0.5Hz，0.3Hz，0.15Hz，0.1Hz，0.08Hz，0.06 Hz，0.03Hz，0.015Hz，0.008Hz等頻率對試件進行激勵，獲得各頻率下的成像效果如圖4所示。

圖4 不同頻率下熱成像相位圖

根據圖4的檢測結果，采用0.015Hz的激勵頻率能實現最佳的檢測成像效果，該頻率下的圖像上密集型小氣泡、大面積空洞混合缺陷均得到清晰的顯示。顯示結果與圖3缺陷試樣在射線底片上的分布一致，最大缺陷尺寸測量顯示為20mm，最小的缺陷測量顯示為1.5mm。圖中不同大小的缺陷尺寸統(tǒng)計分析對比結果如表1。

表1 不同鎖相頻率下缺陷測量尺寸對比

根據對比不同鎖相頻率下的紅外熱成像檢測結果，針對OSR粘接產品，使用0.015Hz的鎖相頻率能得到較為清晰的成像效果，且對小于3mm的缺陷，測量誤差小于0.2mm；對于大于5mm的缺陷，測量誤差小于1mm。

4.1.1 熱加載周期參數試驗

為驗證不同熱加載周期對檢測結果的影響程度，采用0.015Hz的鎖相頻率，分別設置2、5、8、12四種不同的加載周期進行試驗，如圖5為不同加載周期的成像效果圖，對檢測成像效果進行分析如表2。

表2 不同熱加載周期下缺陷測量尺寸對比

根據成像結果對比發(fā)現，由于OSR產品較薄，且具有較高的熱導效率，當熱加載周期為5時，就可以達到較好的檢測效果，檢測圖像的分辨率和細節(jié)缺陷的分辨率能力即可滿足檢測需求，驗證熱加載周期，檢測效率進一步改善的效果不明顯；隨著加載周期的單次檢測數據增大，檢測時間逐漸增加，同時在產品表面積累的最高溫度也隨之升高。因此，在滿足檢測條件的情況下，建議選擇較低的熱加載周期。

4.1.2 相位差量化統(tǒng)計

試驗同時統(tǒng)計固定加載頻率的缺陷圖像相位差。

圖6 熱成像的頻率-相位差關系曲線

選擇熱加載周期為5時，統(tǒng)計不同鎖相頻率下空洞缺陷的中心點相位與無缺陷區(qū)域點的相位差值，得得到頻率-相位差關系曲線，如圖6所示。即對OSR粘接界面空洞類缺陷檢測時，當激勵頻率在0.015Hz附近，此時缺陷位置與無缺陷區(qū)域有最大的相位差0.7rad，此時在檢測圖像中，缺陷成像與正常粘貼具有較高的對比度，便于人眼觀察和精確測量。

5 結束語

綜上分析，對OSR粘接界面的空洞類缺陷的紅外熱像檢測及統(tǒng)計規(guī)律可以得到如下結論：

a. 采用紅外鎖相的熱成像檢測能夠實現對OSR粘接界面內空洞類缺陷的有效檢出，可檢出的最小缺陷面積為1.5mm當量，具有較高的檢測靈敏度。

b. OSR粘接界面內空洞類缺陷具有固定的缺陷埋藏深度，采用該系統(tǒng)檢測的最佳能量激勵頻率為0.015Hz，此時缺陷位置與無缺陷區(qū)域有最大的相位差0.7rad，具有最佳的缺陷顯示效果。

c. 對于薄壁的OSR產品粘貼缺陷，選用較低的熱加載周期（=5）時，即可達到較好的分辨率和檢測效率，增加熱加載周期，檢測效果提升不明顯，且會降低產品檢測效率，增加產品表面的溫度，不利于產品安全。

d. 使用紅外鎖相的熱成像檢測具有較高的缺陷尺寸測量精度，與射線檢測底片中測量結果誤差小于1mm。

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Research on Visualization Detection Technology of Satellite OSR Bonding Defects

Shao Hongliang Yin Shaohua Yan Laixin Dong Xuejin

(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai200240)

In this paper,a non-destructive detection method based on locked-in infrared thermal imaging is used to detect OSR bonding inerface defects. The technical principle of infrared thermal imaging detection method is analyzed,samples with natural defects are maded,and the detection ability of infrared thermal imaging edtecton methods are researched.The results show that,thermal miaging detection method based on infrared phase locked-in can effectively detect the holes in the OSR bonding interface in actual combat,the smallest defect size that can be detected is 1.5mm, and the method has hight detection sensitivity.

locked-in infrared；OSR；visualization；non-destructive detection

TB302.5

A

上海航天科技創(chuàng)新SAST基金（JG20180209）。

邵紅亮（1986），高級工程師，測試計量技術及儀器專業(yè)；研究方向：無損檢測及其新技術應用。

2022-09-21